Грозовое облако образуется в жаркий день — когда воздух у поверхности земли сильно прогрет и насыщен водяными парами.
Происходит мощная конвекция: потоки нагретого влажного воздуха устремляются вверх. Подъем воздушных масс еще больше усилится, если ветер пригонит холодный воздух. Стелющиеся по земле массы холодного воздуха поддвигаются под нагретую воздушную массу и приподнимают ее вверх. Недаром именно на холодных атмосферных фронтах часто образуются кучево-дождевые облака, становящиеся грозовыми облаками.
В появлении и развитии грозового облака (тучи) можно четко различить четыре последовательных этапа.
Первый этап — предгрозье.
С утра жарко и душно, стоит полная тишина. «Парит! Быть грозе» — уверенно предсказывают бывалые люди. На данном этапе происходит зарождение грозового облака.
Второй этап — начальное развитие грозового облака.
Воздух становится более влажным, в нем будто разливается слабый туман. В вышине возникает, растет, постепенно темнеет кучево-дождевое облако, превращаясь в тучу. Увеличивающаяся туча закрывает солнце, и все вокруг сразу становится мрачным, устрашающим. Возникает теплый ветер, поднимающий вверх сухие листья.
Третий этап — зрелое грозовое облако.
Сверху из облака устремляются к земле мощные потоки холодного воздуха. Потоки холодного воздуха ударяются о поверхность земли и порождают пылевые вихри. И тут же начинается сильный дождь, а иногда и град. Сверкают молнии, гремит гром.
Четвертый этап — разрушение грозового облака.
Грозовое облако заметно уменьшилось, начало разрушаться. Его вершина вытянулась горизонтально. Дождь ослабел, ветер заметно стих. Еще немного, и в просветах туч появляется солнце. Вся природа постепенно оживает. Остатки тучи уходят вдаль. В воздухе необычайная свежесть.
Три этапа жизни грозового облака (начальное развитие, полноценное развитие, разрушение) схематически показаны на рис.
На этапе начального развития (позиция 1) наблюдаются мощные восходящие потоки воздуха под облаком и внутри него. Содержащиеся в воздушных восходящих потоках водяные пары, начиная с высоты Н (уровня конденсации) начинают конденсироваться. Процесс конденсации продолжается при дальнейшем подъеме воздушных масс, вследствие чего облако быстро растет в высоту. По мере подъема скорость восходящих потоков внутри облака возрастает. Обратим внимание на приток с боков холодного воздуха, окружающего облако. Впрочем, все это совершается в вышине, а земной наблюдатель видит лишь постепенно разрастающееся и приобретающее все более темный цвет облако и, кроме того, ощущает горизонтальные потоки ветра. Это приповерхностный воздух устремляется под тучу — в область пониженного давления, образовавшуюся в результате подъема воздушных масс. Если под формирующуюся тучу проникнет откуда- нибудь с водоема холодный воздух, то будет происходить некоторое охлаждение начавших подниматься вверх влажных воздушных масс — в результате может возникнуть легкая туманная дымка. Мощные восходящие потоки воздуха (значительно более мощные, чем в случае обычного кучевого облака) обусловливают сильный рост грозового облака в высоту. Верхняя граница облака оказывается на высоте 10—15 км; она может достигать 20 км. На таких высотах восходящие воздушные потоки постепенно затухают. Там образуются скопления ледяных кристаллов, которые начинают падать сквозь облако вниз, увлекая за собой некоторое количество холодного воздуха. Нисходящий холодный воздушный поток, выходя из облака, мощно ударяет по поверхности земли, появляется сильный порывистый приповерхностный ветер с пылевыми вихрями. Одновременно из облака начинаются интенсивные осадки.
Важно отметить, что возникший у вершины грозового облака нисходящий поток холодного воздуха, попадая в нижние «этажи» облака, не затухает, а напротив, усиливается.
Таким образом, наблюдается довольно сложная картина — наряду с восходящими потоками воздуха, нагретого у поверхности земли, существуют нисходящие потоки воздуха, охладившегося в верхней части облака. Такая картина соответствует созревшему грозовому облаку (позиция 2 на рис.).
Падающие вниз сквозь грозовое облако воздушные массы, вызывая ливень и, возможно, град, гасят встречные восходящие потоки воздуха. А это означает, что грозовое облако начинает разрушаться — вслед за этапом зрелости быстро наступает этап разрушения тучи (позиция 3 на рис.). Теперь внутри грозового облака существуют только нисходящие воздушные потоки. Постепенно деятельность ветра прекращается, дождь стихает. Туча буквально на глазах «худеет», ее вершина вытягивается по направлению ветра, напоминая наковальню.
Настало время поговорить о том, как происходит разделение электрических зарядов в грозовом облаке. Почему в верхней части облака накапливаются положительные заряды, а в нижней части отрицательные?
Общая точка зрения на этот счет такова. В воздушных потоках внутри облака неизбежны процессы дробления как водяных капель, так и кристаллов льда. При этом более мелкие (а значит, и более легкие) капли и кристаллы заряжаются, как правило, положительно, а более крупные (более тяжелые) — отрицательно. Восходящие
воздушные потоки поднимают к вершине облака главным образом мелкие частицы и тем самым заряжают верхнюю часть облака положительно. Крупные же частицы падают к основанию облака, заряжая его нижнюю часть отрицательно.
Попробуем понять, почему мелкие водяные капли заряжаются положительно, а крупные отрицательно. В каждой капле происходит диссоциация некоторой части молекул Н20 на ионы ОН" и Н+. Энергия, высвобождающаяся при конденсации водяного пара в каплю воды, может частично расходоваться на то, чтобы вырвать из капли некоторое количество ионов Н+.
Таким образом, можно себе представить, что вокруг капли образуется «облако» ионов Н+, а сама капля оказывается при этом заряженной отрицательно. Чем крупнее капля, тем больше около нее ионов Н+ и соответственно тем больше отрицательный заряд капли.
Теперь обратимся к грозовым облакам. Они содержат как водяные капли, так и ледяные кристаллы. Вода и лед, таким образом, контактируют здесь друг с другом. За счет контактной разности потенциалов, возникающей между льдом и водой, как раз и происходит электризация облака. Между контактирующими веществами возникнет разность потенциалов; ее называют контактной разностью потенциалов. Возникнув, она будет препятствовать дальнейшему переходу электронов из А в В — устанавливается равновесие.
Итак, электризация облака приводит к тому, что его верхняя часть заряжается положительно, а нижняя отрицательно. И как следствие, на подстилающем участке земной поверхности наводится положительный заряд.
Нижнюю часть грозового облака и подстилающий участок поверхности образуют конденсатор.
Этот конденсатор разряжается,во-первых, за счет молний, проскакивающих между грозовым облаком и земной поверхностью, а во-вторых, за счет осадков. И в том, и другом случае происходит перенос положительных зарядов с поверхности земли в облако. Здесь интересна мысль о существовании сил притяжения между тучей и землей. Такие силы действительно есть — это силы электрического притяжения, действующие между зарядами разных знаков.
